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美国能源部未来工业材料研究进展

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美国能源部未来工业材料研究进展

发布日期:2016-07-27 作者: 点击:

美国能源部未来工业材料研究计划

       未来工业材料(Industrial Materials for the Future,IMF)研究计划是美国能源部能效与可再生能源办公室(EERE)的工业技术计划(Industrial Technologies Program,ITP)的一项子计划,于2000年由美国能源部工业技术办公室(DOE’s Office of Industrial Technologies,OIT)的“先进工业材料(Advanced Industrial Materials,AIM)”和“连续纤维陶瓷复合材料(Continuous Fiber Ceramic Composites,CFCC)” 两个计划合并而成。

       IMF的使命是引领全国的工作,研究、设计、开发、制造和测试新型和改良材料,同时积极探索对现有材料的更为有效的利用,提升工业生产和制造过程的能源效率,满足未来美国工业对更强、更轻且抗高温疲劳、抗腐蚀、抗磨损等性能更加优良的材料的需求。

       IMF重点关注以下四个领域并优先开展相关研究:(1)抗衰退材料(材料开发与生产、涂层与表面改善、耐火材料);(2)热物理学数据库与模型;(3)分离材料;(4)工程应用材料。

       根据委托兰德公司(RAND)进行的一项独立审查,IMF确定了针对铝、玻璃、钢铁等9种未来工业的优先研究方向,如表1所示。

       2004年是IMF开始取得重大进展的第一年,开展的课题多达近30项,结题10项。2004年,IMF开展的研究主要集中在以下几个领域:(1)新型耐蚀钢、耐火材料、复合材料;(2)工业用纳米晶体材料和涂料;(3)合金设计数据库与模型;(4)高效分离材料;(5)工业生产用管类、工具与元件。

    2005年,IMF开展的课题研究多达25项,结题12项。这25项课题分布于以下4个领域:(1)抗衰退材料(14项):先进生产与涂料、超硬材料、金属灰化预防;(2)能源系统材料(6项):耐火材料、能量回收材料;(3)分离材料(1项):薄膜、沸石、过滤材料;(4)热物理学数据库与模型(3项):衰退预测、转化与动力学建模及仿真。

 

    IMF 2006年结题项目

   (一)未来工业用先进复合涂料

 

    1、研究背景

       腐蚀是所有工业面临的一个难题。据估计,美国工业每年因腐蚀造成的损失高达3000亿美元。虽然抗腐蚀涂料已经普遍应用,但抗腐蚀性能的进一步提升需要改良的涂层材料和涂层方法。低本高效的涂料可以提高工业器件的寿命,可以用更低成本的衬底与涂料的组合代替昂贵的材料,从而节约制造与维护等费用。抗腐蚀涂料还可以提高生产效率,从而节约能源和减少排放。此外,低温陶瓷涂层技术可以进一步节约能源、降低成本、减少排放。由于复合材料和微结构可以针对关键问题进行设计,因而拥有多种功能相的复合涂料也为改善抗腐蚀性能提供了一种经济的解决方案。

 

    2、目标与意义

       该项目的目标是开发低成本的陶瓷涂料,用于化学加工、工业发电等工业中金属与陶瓷的高温腐蚀预防。这些涂料将可以在700-1000°C的高温环境中提供保护,防止因氧化、渗碳、炼焦和金属灰化等造成的腐蚀。

       对于国家和工业而言,该项目具有以下重要意义:(1)研发的涂料将使得人们可以更多地用低成本钢代替高温合金;(2)简化的涂层方法将降低维护费用;(3)强化的抗腐蚀性能将带来大约5%的效率提升。该项目的研究成果将在以下工业领域取得重大应用:(1)化学制品业:氢气生产、重整装置;(2)石油工业:重整装置;(3)钢铁工业:新型铝化方法。

 

    3、主要问题与研究方法

       目前,主要存在以下两个方面的问题:(1)缺少可以防止蒸汽重整器环境中钢渗碳的低成本涂料;(2)缺少将陶瓷涂料应用于钢材的低成本涂层方法。

       为降低高温腐蚀,本项目将利用“陶瓷先驱体高温分解”和“原位取代反应合成”两种方法合成与制作适于大面积应用的陶瓷复合涂料。一旦这两种方法开发成功,该项目的工业合伙人将确保对相应涂料进行充分的测试与评价。此外,还将开发和测试一种可以将陶瓷涂料应用于钢材的简易、低本高效的涂层方法。

 

    4、研究成果

       该项目的研究取得了以下成果:(1)开发出3种新型涂料,在高达800°C的环境中,利用316不锈钢进行10次循环测试,经过100个小时仍然可以保持良好的抗腐蚀性能;(2)成功申请一项关于一种生产钢材铝涂层新方法的专利;(3)开发出一种新型316不锈钢鳞片涂料;(4)开发出有机溶剂的新用法以及浸涂、喷涂等涂层技术;(5)通过在生产过程中控制铝的浓度梯度改进了铝化物涂料。

 

    (二)新型超硬耐磨AlMgB14复合材料

 

    1、研究背景

       据估计,美国每年磨损和降解的材料成本超过1000亿美元。材料的磨损不仅限制了工业产出和经济发展,还导致了工业生产过程中大量的能源浪费。近期研究表明AlMgB14纳米复合材料具有良好的抗磨损性能,是一种新型的抗降解材料。在测试实验中,AlMgB14复合材料在苛刻的条件下表现出非常高的耐磨和耐蚀性能。耐磨材料和涂层的性能改良和发展将使许多工业行业从中受益,如石油行业、采矿业、金属铸造业等。这种新型材料还将促进所有工业行业中新工艺和新产品的后续开发。

 

    2、目标与意义

       该项目的目标是开发新型高耐磨块体材料和薄膜复合材料。硼化物超硬材料应用领域十分广泛,本项目研发的AlMgB14复合材料将主要应用于金属铸造业、采矿业、林产业、石油业、农业等行业。项目的研发成功可为国家和工业界带来相当的益处:研磨泵磨损组件30%的市场预计每年可节能5TBtu(英制热量单位);金属铸造业(磨削与修整)10%的市场预计每年可节能5TBtu;采矿业的钻井、钻芯、钻孔和研磨工具方面10%的性能改进将每年直接节省1亿美元,更高效的磨削工具使磨削速度提高25%,节能1000亿Btu;切削工业的电力消费将降低2.5%,从而使美国的CO2排放减少2百万吨。


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